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Die kognitiven Grundlagen der Intelligenz

Karl Schweizer
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Psychologisches Institut


Seit Mitte der 70er Jahre gibt es Forschung zu den Grundlagen der Intelligenz mit einer sowohl differentiellen als auch experimentellen Ausrichtung. Dabei wurde nach biologischen und kognitiven Ursachen für die auf der Ebene psychometrischer Tests beobachtbaren Leistungsunterschiede gesucht. Inzwischen liegen umfangreiche empirische und theoretische Arbeiten insbesondere zu den kognitiven Grundlagen vor. Durch die Bezugnahme auf kapazitätslimitierte Strukturen, besonders auf das Arbeitsgedächtnis, zeichnet sich neuerdings eine Vereinheitlichung der konzeptuellen Überlegungen ab.


1. Die Meßmethoden

Die Forschung zu den kognitiven Grundlagen ist eng mit der Entwicklung und Anwendung computergestützter kognitiver Tests verbunden. Begrifflich stehen die kognitiven Tests in einem engen Zusammenhang mit McKeen Cattells Ñmental testsì. 1890 hat er für eine Serie von 10 Einzeltests die Bezeichnung Ñmental testsì eingeführt, unter anderem für Reaktionszeitaufgaben und für Methoden zur Bestimmung von Wahrnehmungsschwellen. Die heutigen kognitiven Tests verbinden eine einfache Aufgabenstellung mit entweder der Methode der Reaktionszeit- oder der Diskriminationszeitbestimmung. Bekannte Beispiele sind die Sternberg-Aufgabe (Sternberg, 1966), die Posner-Aufgabe (Posner & Mitchell, 1967) und die Inspektionszeit-Aufgabe (Vickers, Nettelbeck & Willson, 1972). Ihren Ursprung haben diese heutigen Tests zum großen Teil in der kognitiven Psychologie, wo sie zunächst zur Untersuchung allgemeiner Fragestellungen eingesetzt worden waren. Dazu kommen vermehrt kognitiv-differentielle Neuentwicklungen.

Ein Grund für das große Interesse an diesen kognitiven Tests war die Aussicht auf eine Alternative zu den konventionellen Intelligenztests, um das Problem der Testfairneß, das seit Mitte der 60er Jahre die Diskussion in der amerikanischen Testpsychologie bestimmte, zu bewältigen. Es wurde der Vorwurf gegen die konventionellen Tests erhoben, daß sie einzelne soziale Gruppen benachteiligen würden, besonders beim Einsatz zu Selektionszwecken. Ein zweiter, nicht weniger wichtiger Grund war die Möglichkeit der Rückführung des Verhaltens bei der Bearbeitung komplexer Probleme auf einfache kognitive Prozesse. Die Anforderungen durch kognitive Tests sind gewöhnlich so gering und die Lösungszeiten so kurz, daß Heurismen, spezifische Regeln, elaborierte Strategien und Tricks kaum eine Rolle spielen können. Die Testleistung ergibt sich durch das Zusammenwirken ganz weniger elementarer Prozesse. Dieses Geschehen unterscheidet sich deutlich von dem, was bei der Bearbeitung von Intelligenztests kognitiv stattfindet.


2. Die kognitiven Intelligenztheorien

Die Anwendung der kognitiven Tests wurde natürlich von theoretischen Überlegungen zu den kognitiven Grundlagen der Intelligenz begleitet. Dabei stand die eine Fragestellung im Vordergrund: Wie kann ein Zusammenhang zwischen der Reaktionszeit oder einer Wahrnehmungsschwelle und der Lösung für eine Intelligenztestaufgabe entstehen? Gemäß dieser Fragestellung muß eine Relation zwischen einer quantitativen Variablen und einem Verhalten, das qualitativ als richtig oder falsch beschreibbar ist, hergestellt werden.

Im Verlaufe der Zeit wurden eine Reihe von Theorien zu dieser Fragestellung vorgebracht (vgl. Schweizer, 1995). Eine Systematisierung der Theorien mit einem kognitiven Bezug bringt die Zusammenfassung zu den drei Gruppen, (a) der allgemeinen Theorien, (b) der Struktur-Theorien und (c) der System-Theorien. Nicht erfaßt werden sogenannte biologische Theorien und wissensbasierte Theorien.


2.1 Allgemeine Theorien

Allgemeine Theorien zeichnen sich dadurch aus, daß jeweils eine allgemeine Aussage zur mentalen Informationsverarbeitung gemacht wird, die sehr viel mit laienpsychologischen Vorstellungen zur Intelligenz gemeinsam hat.

Die bekannteste allgemeine Theorie ist die sogenannte Geschwindigkeitshypothese der Intelligenz. Sie hat zumindest implizit bei den Untersuchungen der frühen Intelligenzforscher, etwa bei McKeen Cattell und Spearman aber auch bei Galton, eine Rolle gespielt. Sie besagt, daß mentale Prozesse unterschiedlich intelligenter Personen unterschiedlich schnell ablaufen; bei hochintelligenten Personen schneller als bei wenig intelligenten. Diese Hypothese impliziert jedoch nicht, daß diese beiden Personengruppen sich hinsichtlich der Lösungswahrscheinlichkeit für ein bestimmtes Problem voneinander unterscheiden. Deshalb können auf diese Weise nur solche Intelligenzunterschiede vorhergesagt werden, die bei einer sogenannten Speed-Testung beobachtet werden. Es gibt nun eine Erweiterung dieser Hypothese von Vernon (1983). Gemäß dieser Erweiterung soll eine schnellere mentale Verarbeitung zu mehr Wissen und mehr Erfahrungen führen, die im Gedächtnis abgespeichert werden und zukünftig Vorteile bringen. Trotz dieser Erweiterung besteht die dargestellte Einschränkung im wesentlichen weiter.

Etwas weniger bekannt ist die sogenannte Schwellenhypothese. Sie war besonders charakteristisch für die Arbeiten von Galton und besagt: Hochintelligente Personen haben schärfere Sinne, insbesondere niedrigere Wahrnehmungsschwellen, als wenig intelligente Personen. Durch schärfere Sinne soll mehr Information in das System der mentalen Informationsverarbeitung gelangen und eine differenziertere Verarbeitung erfolgen als durch weniger scharfe Sinne. In der Konsequenz sollen bei schärferen Sinnen komplexere Probleme bewältigbar sein. Diese Hypothese hat allerdings nie die Bedeutung der Geschwindigkeitshypothese erlangt.


2.2 Struktur-Theorien

Später kamen Struktur-Theorien hinzu. Im Rahmen solcher Theorien wurden Bezüge zu strukturellen Einheiten der Informationsverarbeitung hergestellt. Dabei wurde auf Modelle der kognitiven Psychologie zurückgegriffen, beispielsweise auf das Drei-Speicher-Modell zum Gedächtnis. In den Eigenheiten der zentralen Einheiten solcher Modelle wurden Ursachen für Intelligenzunterschiede vermutet. Unter Eigenheiten sind quantitative Merkmale zu verstehen wie die Zugriffszeit, das Speichervermögen, u.a. Entsprechend handelt es sich um Theorien, die quantitative Aussagen zusammenfassen. Ein Bezug zu qualitativem Verhalten ist nur mit Hilfe von Zusatzannahmen herstellbar.

Auf diese Weise wurde dem Langzeitgedächtnis, dem Kurzzeitgedächtnis, der Aufmerksamkeit und auch größeren Teilen, wie dem Mechanismus der kontrollierten Informationsverarbeitung, eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Intelligenzunterschieden zugesprochen. Anhand kognitiver Tests wurden positive Belege zu eigentlich allen Theorien erzielt. Nur in Bezug auf die Aufmerksamkeit ist die Befundlage weniger günstig, weil bei dieser Theorie höhere Anforderungen an die Überprüfung gestellt werden können. Es muß ein Korrelationsanstieg bedingt durch eine Aufmerksamkeitsmanipulation nachgewiesen werden.


2.3 System-Theorien

Die Gruppe der System-Theorien umfaßt nur zwei Exemplare, die Intelligenztheorien zum Arbeitsgedächtnis und zur Aufmerksamkeit. Aufgrund seines Systemcharakters muß dem Arbeitsgedächtnis eine Sonderstellung gegenüber den undifferenzierten kognitiven Strukturen eingeräumt werden. Die Aufmerksamkeit dagegen muß nur deshalb berücksichtigt werden, weil neuere Arbeiten das Arbeitsgedächtnis als Teil der Aufmerksamkeit darstellen. Gemäß dieser Überlegungen ist auch die Aufmerksamkeit eine Systemtheorie. Eine eigene Darstellung erübrigt sich allerdings.

Für das Interesse an diesem Thema war eine Arbeit besonders wichtig, die 1990 von Kyllonen und Christal veröffentlicht wurde. Die Autoren berichteten über vier getrennte Studien mit insgesamt 2144 Teilnehmern und 27 Einzeltests. Erfaßt wurden das Arbeitsgedächtnis, das schlußfolgernde Denken, das Allgemeinwissen und die Bearbeitungsgeschwindigkeit. Sie fanden eine durchschnittliche Korrelation von .40 zwischen Tests zum Arbeitsgedächtnis und zum Schlußfolgernden Denken. Weiterhin wurden durchschnittliche Korrelationen zwischen einem Arbeitsgedächtnisscore und dem Allgemeinwissen sowie der Bearbeitungsgeschwindigkeit von .21 und .16 erzielt. Darüber hinaus zeichnete sich diese Studie durch eine hohe Konsistenz der Korrelationen zwischen den Einzeltests und Konsistenz über die vier Teilstudien aus. Seit dem Erscheinen dieser Arbeit rückt das Arbeitsgedächtnis als Forschungsthema immer mehr in den Vordergrund. Derzeit machen solche Arbeiten schon einen erheblichen Anteil der Literatur zu den kognitiven Grundlagen der Intelligenz aus.


3. Die Intelligenztheorie zum Arbeitsgedächtnis

3.1 Das Arbeitsgedächtnis

Beim Arbeitsgedächtnis handelt es sich um eine Zusammensetzung aus drei verschiedenen Einheiten, die zwar in steter enger Interaktion stehen, aber gerade aufgrund ihrer Eigenständigkeit sich für die Erklärung von Intelligenzunterschieden besonders eignen (Baddeley, 1992). Es setzt sich aus einer zentralen Ausführungsinstanz und zwei Speicherschleifen, die der Aufbewahrung visueller und phonologischer Information dienen, zusammen. Im Arbeitsgedächtnis werden einfache kognitive Operationen ausgeführt: Vergleiche, Verknüpfungen, Regelanwendungen, elementare Rechenoperationen, u.a. Vieles was für die Bewältigung von Aufgaben zum schlußfolgernden Denken notwendig ist, kommt im Arbeitsgedächtnis zustande. Seine Leistungsfähigkeit bei der Bewältigung eines Problems wird durch seine Kapazität bestimmt, die sich durch das Zusammenwirken verschiedener elementarer Faktoren ergibt. Individuelle Unterschiede bestehen bezüglich der Kapazität des Arbeitsgedächnisses.


3.2 Die Fehlertheorie

Das Arbeitsgedächtnis ist als System besonders nützlich, um das Zustandekommen von Bearbeitungsfehlern bei solchen Aufgaben, die eine Verknüpfung mehrerer Inhalte sowie die Anwendung von Regeln erfordern, zu erklären. Anhand solcher Fehler, die bei der Bearbeitung von Intelligenztestaufgaben zustande kommen, werden Intelligenzunterschiede identifiziert. Es gibt mehrere Möglichkeiten der Fehlererklärung. Zwei Möglichkeiten sollen herausgestellt werden.

Die erste Erklärung folgt der Logik konkurrierender Prozesse: Im einfachsten Fall stehen sich ein Verarbeitungs- und ein Verfallsprozeß gegenüber, die sich beide auf die gleichen Informationseinheiten beziehen. Die Verarbeitung erfolgt durch die Ausführungsinstanz, und der Verfall ereignet sich in den Schleifen. Eine Aufgabe wird erfolgreich bewältigt, wenn die Verarbeitung abgeschlossen werden kann, bevor der Verfall eine kritische Grenze erreicht hat. Je langsamer der Verfallsprozeß ist, desto mehr Zeit steht dabei für den Verarbeitungsprozeß zur Verfügung. Schreitet er jedoch zu weit fort, dann geht notwendige Information verloren und der Verarbeitungsprozeß kann nicht mehr ordnungsgemäß zu Ende geführt werden.

Die andere Erklärung stellt das geringe Speichervermögen der Speicherschleifen in den Mittelpunkt. Die Verarbeitung erfordert, daß notwendige Information in den Speicherschleifen verfügbar gehalten wird. Dies betrifft insbesondere Zwischenergebnisse, die anderweitig nicht aufbewahrt werden können. Wenn nun mehr Informationseinheiten anfallen, als die Schleifen aufnehmen können, dann geht Information verloren und die entsprechende Aufgabe ist nicht lösbar.


3.3 Wichtige empirische Befunde

Mit dem Arbeitsgedächtnis als Ursache für Intelligenzunterschiede verbinden sich zwei Hypothesen: Mit zunehmender Anforderung an das Arbeitsgedächtnis werden Fehler wahrscheinlicher, und Fehler bei der Bearbeitung von originären Arbeitsgedächtnisaufgaben korrelieren mit Fehlern bei Intelligenztestaufgaben, weil der gleiche Mechanismus zugrunde liegt. Diese Hypothesen wurden an einer Stichprobe bestehend aus 100 studentischen Versuchspersonen untersucht (Schweizer, 1996). Die Versuchspersonen mußten einfache Figuren mental in eine bestimmte Reihenfolge bringen und die Anzahl der Umordnungen bestimmen. Das Umordnen ist eine Operation, die im Arbeitsgedächtnis ausgeführt wird und unter normalen Umständen keinerlei Schwierigkeiten bereitet. Bei dieser Untersuchung wurde die Anforderung dadurch gesteigert, daß die Anzahl der relevanten Figuren erhöht wurde. Mehr Figuren bedeuteten mehr Umordnungen und mehr Zwischenergebnisse, die in einer Speicherschleife aufrechtzuerhalten waren. Erwartungsgemäß wurde eine Abnahme der durchschnittlichen Anzahlen richtiger Lösungen bei einer Steigerung der Anforderungen festgestellt. Außerdem wurden Korrelationen zwischen den richtigen Lösungen und drei Intelligenzscores berechnet. Bei der geringsten Anforderung fand sich kein bedeutsamer Zusammenhang, während bei der höchsten Anforderung Korrelationen bis r = .48 gefunden wurden. Darüber hinaus konnte in Abhängigkeit von der Anforderung ein monotoner Anstieg der Korrelationen beobachtet werden. Offensichtlich wurde durch eine Steigerung der Anforderungen ein Zunahme des Anteils der gemeinsamen, durch die Arbeitsgedächtniskapazität bedingten Varianz bewirkt.

Von den weiteren Studien zur Konstruktvalidität ist besonders hervorzuheben eine Arbeit von De Jong und Das-Smaal (1995). In dieser Studie wurde der Bezug zur Schulleistung und zur fluiden Intelligenz hergestellt. Die Stichprobe umfaßte 2222 holländische Schulkinder. Im Rahmen eines Struktur-Gleichungs-Modells wurden Koeffizienten für die Relationen zwischen der Arbeitsgedächtniskapazität, der Schulleistung, der fluiden Intelligenz und der Bearbeitungsgeschwindigkeit bestimmt. Dabei fanden sich Koeffizienten von .72, .66 und .60 für die Relationen zwischen einerseits der Kapazität des Arbeitsgedächtnisses und andererseits der Schulleistung, der fluiden Intelligenz und der Bearbeitungsgeschwindigkeit in entsprechender Reihenfolge. Offensichtlich begünstigt eine große Arbeitsgedächtniskapazität die Schulleistung. Allerdings muß kritisch angemerkt werden, daß Papier-und-Bleistift-Tests eingesetzt wurden, um das Arbeitsgedächtnis zu erfassen. Dadurch können komplexe Strategien und Erfahrungen einen größeren Einfluß auf das Ergebnis ausüben als bei kognitiven Tests.

Weiterhin ist von besonderem Interesse der Bezug zu den Komponenten bestehender Intelligenz-Struktur-Modelle. In diesem Sinne stellte die Arbeitsgruppe um Wittmann (Wittmann, Süß, Oberauer, Schulze & Wilhelm, 1995) ein Bezug zwischen der Kapazität des Arbeitsgedächtnisses und dem Berliner-Intelligenz-Modell her. Es wurden 24 kognitive Tests bei 128 Teilnehmern eingesetzt, und es wurden Korrelationen zwischen einem Score für die Arbeitsgedächtniskapazität und allen Komponenten des Modells (Einfallsreichtum, Merkfähigkeit, Bearbeitungsgeschwindigkeit, Verarbeitungskapazität, sprachliches Denken, figural-räumliches Denken, numerisches Denken) berechnet. Dabei wurde eine Korrelation von .83 mit dem Gesamtscore des Modells, der für die Allgemeine Intelligenz steht, gefunden. Die übrigen Korrelationen variierten zwischen .48 und .81. Der höchste Koeffizient wurde für die Verarbeitungskapazität erzielt und der geringste für den Einfallsreichtum. Weiterhin fanden sich unterschiedliche Korrelationsmuster zu drei spezifischen Arbeitsgedächtnisscores, die auf der Basis einer strukturanalytischen Untersuchung berechnet wurden. Offensichtlich bestehen enge Beziehungen zu mehreren Komponenten dieses Intelligenz-Struktur-Modells und nicht nur zur Allgemeinen Intelligenz, die dem g-Faktor nahe steht.


4 Schlußbemerkung

Das Arbeitsgedächtnis muß aufgrund der neueren Forschungsergebnisse als die zentrale Ursache für Intelligenzunterschiede auf der Ebene kognitiver Strukturen betrachtet werden. Darüber hinaus sind natürlich viele weitere Strukturen für das Zustandekommen intellektueller Leistungen notwendig, und daneben gibt es noch andere differentielle, aber weniger zentrale Ursachen. Neben diesem strukturellen Befund ist die Beobachtung hervorzuheben, daß speziellen Strategien, Heurismen, Tricks und dem Wissen um besondere Regeln eine viel geringere Bedeutung zukommt als Eigenschaften des kognitiven Systems.


Literatur

Baddeley, A.D. (1992). Working memory. Science, 255, 556ñ559.

Jong, P.F. & Das-Smaal, E.A. (1995). Attention and intelligence: The validity of the Star Counting Test. Journal of Educational Psychology, 87, 80ñ92.

Kyllonen, P.C. & Christal, R.E. (1990). Reasoning ability is (little more than) working-memory capacity?! Intelligence, 14, 389ñ433.

Posner M.I. & Mitchell, R.F. (1967). Chronometric analysis of classification. Psychological Review, 74, 392ñ409.

Schweizer, K. (1995). Hypothesen zu den biologischen und kognitiven Grundlagen der Intelligenz. Zeitschrift für Differentielle und Diagnostische Psychologie, 16, 67ñ81.

Schweizer, K. (1996). The speed-accuracy transition due to task complexity. Intelligence, 22, 115ñ128.

Sternberg, S. (1966). High-speed scanning in human memory. Science, 153, 652ñ654.

Vernon, P.A. (1983). Speed of information processing and general intelligence. Intelligence, 7, 53ñ70.

Vickers, D., Nettelbeck, T. & Willson, R.J. (1972) Perceptual indices of performance: The measurement of Ñinspection timeì and Ñnoiseì in the visual system. Perception, 1, 263ñ295.

Wittmann, W.W., Süß, H.-M., Oberauer, K., Schulze, R. & Wilhelm, D. (1995). Der Zusammenhang von Arbeitsgedächtniskapazität und Konstrukten der Intelligenzforschung. Unveröffentlichter DFG-Bericht.